DE10256550A1

DE10256550A1 - Bauelement mit einer thermische Isolation

Info

Publication number: DE10256550A1
Application number: DE10256550A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr.Rer.Nat. Huber; Paul Dipl.-Ing. Szasz; Dominik Dipl.-Ing. Eifel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement (1) mit einem zylinderförmigen Kern (1K), der außen von einer thermischen Isolation (2) herkömmlicher Art umgeben ist. Damit das Bauelement (1) auch in Einrichtungen genutzt werden kann, die auf dem Meeresboden für die Förderung von Rohöl (100) installiert sind, ist es mit einer zweiten Isolation vorgesehen, die unmittelbar an die Innenfläche des Kerns (1K) angrenzt. In diese zweite Isolation (3) ist ein Phasenänderungsmaterial (5) eingearbeitet, das die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer thermischen Isolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Bauelemente gehören zu baulichen Einrichtungen, die auf dem Meeresboden installiert sind, und für die Förderung und den Transport von Rohöl oder Erdgas von der Quelle zu Förderplattformen oder Tankschiffen vorgesehen sind.
Die Ölförderung vom Meeresboden aus erfordert eine Vielzahl von Rohrleitungen sowie Ventil- und Steuersystemen, die unterseeisch montiert werden müssen. Diese baulichen Einrichtungen müssen thermisch isoliert werden, da die Temperaturen des Förderguts bei regelmäßigen Unterbrechungen der Förderung durch Wärmeabgabe an die Umgebung stark absinken. Das zu fördernde Rohöl enthält Bestandteile, die sich in den Rohrleitungen und Ventilen ablagern, wenn die Temperaturen in diesen Bauelementen unter einen Wert von 17°C absinken. Dieser Wert kann je nach Tiefe und Ölzusammensetzung auch variieren. In baulichen Einrichtungen, die über keine, oder nur eine unzureichende thermische Isolation verfügen, bilden sich Hydrat- und Wachs-Ablagerungen, deren Beseitigung aufwendig und teuer ist.
In der US-PS 6 000 438 ist eine thermisch isolierte Rohrleitung für den Transport von strömenden Medien in unterseeischen Bereichen beschrieben. Die das Medium führende innere Rohrleitung ist von einer thermischen Isolierschicht umgeben, welche die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers aufweist. Die Isolierschicht ist von einem konzentrisch zur inneren Rohrleitung angeordneten metallischen Mantelrohr umgeben. Die Speicherung von latenter Wärme in der Isolierschicht wird durch Verwendung eines Phasenänderungsmaterials erreicht, welches beim Übergang von dem festen in den flüssigen Zustand eine hohe Schmelzenthalpie als latente Wärme aufnimmt. Wird das geschmolzene Phasenänderungsmaterial abgekühlt, so gibt es bei der Erstarrungstemperatur die aufgenommene Schmelzenthalpie wieder ab, und geht wieder in einen festen Zustand über. Durch die zusätzliche Abgabe der latenten Wärme wird die Abkühlzeit des geförderten Mediums verlängert. Doppelwandige Förderleitungen wie sie hier beschrieben sind, sind teuer und wegen ihres großen Durchmessers nicht überall nutzbar. Bei baulichen Einrichtungen in Form von Ventilen und Verteilern sind doppelwandige Ausführungen weder wirtschaftlich noch können sie technisch sinnvoll ausgebildet werden.
Aus der US-PS 6058979 ist eine Isolation für bauliche Einrichtungen der eingangs genanten Art bekannt, die aus Polymeren in Form von Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, Epoxiden und Elastomeren hergestellt wird. Eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/mK, gute mechanische Eigenschaften, sowie das ebenfalls geringe Gewicht dieser Werkstoffe sind für die Verwendung als Wärmedämmmaterial von Vorteil. Die Wärmedämm-Eigenschaften des Polymers werden durch den Zusatz von Hohlkugeln in Form von Glas und/oder Kunststoff verbessert. Durch die Hohlkugeln wird die spezifische Dichte der Isolierung zudem verringert. Um den Füllgrad zu erhöhen, und die Wärmeleitfähigkeit zu minimieren, werden unterschiedlich große Hohlkugeln verwendet. Trotz einer solchen thermischen Isolation lässt sich die Bildung von Ablagerungen in unterseeischen Einrichtungen, die zur Förderung von Rohöl vorgesehen ist, nicht vollständig ausschließen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zylinderförmiges Bauelement so mit einer Isolation zu versehen, dass die Bildung von Ablagerungen der eingangs genannten Art im Innenbereich dieses Bauelements vollständig unterbunden wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 gelöst.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein zylinderförmiges Bauelement im Schnitt parallel zur Längsachse,
2 einen vergrößerten Ausschnitt von der Isolation im Innenbereich des Bauelements gemäß 1,
3 eine Variante des in 1 dargestellten Bauelements.
1 zeigt ein zylinderförmiges Bauelement 1, das mit zwei thermischen Isolationen 2 und 3 versehen ist. Das Bauelement 1 ist Bestandteil einer Rohrleitung (hier nicht dargestellt), die aus einer Vielzahl solcher Bauelemente zusammengesetzt werden kann. Der Kern 1K des Bauelements 1 ist aus Stahl oder einem Verbundwerkstoff hergestellt. Hierfür können Kunststoffe verwendet werden, die mit Glas- oder Kohlestofffasern verstärkt sind (hier nicht dargestellt). Unmittelbar auf der Außenfläche des Kerns 1K ist die erste Isolation 2 angeordnet. Sie ist aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis oder einem Polymer, beispielsweise einem syntaktischen Schaum gefertigt. Die Isolation 2 kann mit Hilfe eines Klebers (hier nicht dargestellt) auf der Außenfläche des Bauelements 1 befestigt werden. Die zweite Isolation 3 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar auf der Innenfläche des Kerns 1K ausgebildet. Sie steht mit dem strömenden Medium 100 unmittelbar in Verbindung, das durch eine solche Rohrleitung transportiert wird. Die Gerüstmatrix 3G der Isolation 3 kann aus einem thermoplastischen oder einem duroplastischen Polymer gefertigt werden.
Wie 2 in einem vergrößerten Ausschnitt B aus 1 zeigt, enthält die Gerüstmatrix 3G einen Zusatz 4 in Form von Kugeln, die aus einem Kunststoff gefertigt sind. Diese Kugeln 4 sind mit einem Phasenänderungsmaterial 5 gefüllt, das die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers aufweist. Vorzugsweise enthalten die Kugeln 4 ein Paraffin oder ein Salzhydrat, welches bei einer definierten Phasenübergangstemperatur vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, und dabei eine hohe Schmelzenthalpie als latente Wärme aufnimmt. Wird das geschmolzene Phasenänderungsmaterial abgekühlt, so gibt es beim Erreichen der Erstarrungstemperatur die aufgenommene Schmelzenthalpie wieder ab, und geht wieder in einen festen Zustand über. Durch die zusätzliche Abgabe der latenten Wärme wird die Abkühlzeit des geförderten Mediums 100 verlängert. Die mit dem Phasenänderungsmaterial 5 gefüllten Kugeln 4 verhalten sich innerhalb der Gerüstmatix 3G flexibel, wodurch die Bildung von Rissen innerhalb der Isolation 3 ausgeschlossen wird. Die Kugeln 4 haben einen Durchmesser, der 0,01 mm bis 0,1 mm beträgt, weshalb sie auf einfache Weise in das Polymer, das die Gerüstmatrix 3G bildet, gemischt und damit verarbeitet werden können. Der Anteil der Kugeln 4 sollte 30Vol% bis 70Vol% bezogen auf das Gesamtvolumen der Gerüstmatrix 3G betragen. Wird die Isolation 3 aus einem thermoplastischen Polymer gefertigt, so kann ihre Herstellung durch Extrusion erfolgen. Wird für die Fertigung der Isolation 3 ein duroplastisches Polymer verwendet, wird die Isolation 3 vorzugsweise mit Hilfe eines Gießverfahrens ausgebildet. Die Wärmeleitfähigkeit der Isolation 3 kann durch einen zusätzlichen Füllstoff 6 mit guter thermischer Leitfähigkeit erhöht werden. Vorzugsweise werden Teilchen aus Aluminiumoxid als Füllstoff 6 verwendet.
An Stelle der Kugeln 4, die mit einem Phasenänderungsmaterial 5 gefüllt sind, können auch poröse Teilchen aus Diatomeenerde und/oder einem porösen Polymer (hier nicht dargestellt) als Zusatz 4 für die Gerüstmatix 3G verwendet werden. In diesem Fall sind die Poren dieser Teilchen wenigstens teilweise mit einem Phasenänderungsmaterial 5 in Form eines Paraffins oder eines Salzhydrats eingefüllt. Die porösen Teilchen sind zwischen 0,2mm und 5mm groß.
Als weitere Variante kann das Phasenänderungsmaterial 5 auch in einem Zusatz 4 der Gerüstmatrix 3G enthalten sein, der als Granulat (hier nicht dargestellt) ausgebildet ist. Das Phasenänderungsmaterial 5 in Form eines Paraffins oder eines Salzhydrats ist in diesem Granulat durch ein Bindemittel so gebunden, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials 5 nicht flüssig wird. Durch die Bindung im Granulat wird die Volumenänderung ähnlich wie in einem porösen Träger unterdrückt. Das Granulat ist etwa so groß wie die oben erwähnten porösen Teilchen.
Durch den Sand und andere abrasive Teilchen, die in dem Medium 100 mitgeführt werden, kann die Isolation 3 bei einem direkten Kontakt damit im Laufe der Zeit abgetragen werden. Um die Lebensdauer der wärmespeichernden Isolation 3 zu verbessern, wird, wie 3 zeigt, innerhalb des Bauelements 1K ein dünnes, ebenfalls zylinderförmiges Schutzelement 1D aus Stahl oder einem Verbundwerkstoff konzentrisch angeordnet. Es weist die gleiche Länge wie das Bauelement 1K aufweist. Der Außendurchmesser des Schutzelements 1D ist so bemessen, dass es in einem engen Kontakt mit der Innenseite der Isolation 3 steht. Zweckmäßigerweise wird hierzu das die Isolation 3 bildende Polymer 3G, das mit dem Zusatz 5 und dem Füllstoff 6 versehen ist, direkt auf die Außenfläche des Schutzelements 1D extrudiert bzw. auf die Außenfläche gegossen. Nach dem Aushärten des Polymers 3G wird das Bauteil 1D dann zusammen mit der wärmespeichernden Isolation 3 in das Bauelement 1K geschoben.
Aus einem so ausgebildeten Bauelement 1 kann beispielsweise eine Rohrleitung (hier nicht dargestellt) für den Transport von Rohöl 100 zusammengebaut werden. Die von dem Medium 100 mitgeführten gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffe können die Schutzschicht 1D und die Isolation 3 durchdringen. Dadurch kann sich ein Flüssigkeits- und/oder Gaspolster an der Grenzfläche zwischen dem Bauelement 1K und der Isolation 3 aufbauen. Der Druck, der dabei entsteht, kann bei einer plötzlich auftretenden Dekompression in dem geförderten Medium 100 zu einer Zerstörung der Isolation 3 führen. Um das zu verhindern, werden die Isolation 3 und das Schutzelement 1D an beliebigen Stellen mit Durchbrüchen 7 versehen, die beispielsweise durch Ausstanzen hergestellt werden. Wird die wärmespeichernde Isolation 3 auf der Außenfläche des Schutzelements 1D ausgebildet, können diese Durchbrüche 7 nach deren Herstellung ausgestanzt werden. Um auch in diesem Fall eine hohe Wärmespeicherung des Phasenänderungsmaterials 5 in der Isolation 3 sicherzustellen, sollte die Gesamtfläche der Durchbrüche 7 nicht mehr als 10% von der gesamten Oberfläche der wärmespeichernden Isolation 3 betragen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen eines Bauelements, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Bauelement mit einen zylinderförmigen Kern (1K), der außen von einer thermischen Isolation (2) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Innenfläche des Kerns (1K) eine zweite Isolation (3) unmittelbar angrenzt, in die ein als Latentwärmespeicher nutzbares Phasenänderungsmaterial (5) eingearbeitet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, außen um den Kern (1K) angeordnete Isolation (2) aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis oder einem Polymer gefertigt und dauerhaft mit dem Kern (1K) verbunden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerüstmatrix (3G) der zweiten Isolation (3) aus einem thermoplastischen oder einem duroplastischen Polymer gefertigt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gerüstmatrix (3G) der zweiten Isolation (3) einen Zusatz (4) in Form von Kugeln aufweist, die aus einem Kunststoff gefertigt sind, einen Durchmesser von 0,01 mm bis 0,1 mm aufweisen und mit einem Phasenänderungsmaterial (5) gefüllt sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerüstmatrix (3G) der zweiten Isolation (3) als Zusatz (4) poröse Teilchen aus Diatomeenerde oder einem porösen Polymer enthält, deren Poren teilweise mit einem Phasenänderungsmaterial (5) gefüllt sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerüstmatrix (3G) der zweiten Isolation (3) einen Zusatz (4) aufweist, der als Granulat ausgebildet und im dem das Phasenänderungsmaterial (5) gebunden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenänderungsmaterial (5) ein Paraffin oder ein Salzhydrat vorgesehen ist, dessen Anteil 30Vol% bis 70Vol% bezogen auf das Gesamtvolumen der Gerüstmatrix (3G) beträgt, und dass neben dem Zusatz (4) ein Füllstoff (6) in Form von Teilchen aus Aluminiumoxid in die Isolation (3) eingearbeitet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolation (3) dauerhaft auf die Innenfläche des Kerns (1K) oder auf der Außenfläche eines zylinderförmigen Schutzelementes (1D) aufgetragen ist, das konzentrisch so innerhalb des Kerns (1K) angeordnet ist, dass die gesamte Isolation (3) in einem unmittelbaren Kontakt mit dem Kern (1K) steht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (1D) und die Isolation (3) mit Durchbrüchen (7) versehen sind, deren Gesamtfläche kleiner als 10% der gesamten Oberfläche der Isolation (3) ist.